Interação do Feixe Laser com a Matéria

3.5.1 Princípios Básicos da Tecnologia do Laser

As transições eletrônicas radiativas são todas espontâneas, ou seja, um elétron decai de um estado de alta energia para um estado de energia inferior sem que haja uma ativação proveniente de uma fonte externa. Estes eventos de transição ocorrem de forma independente e em períodos aleatórios, produzindo uma radiação que é incoerente; isto é, as ondas de luz estão fora de fase. O laser, ao contrário, é uma fonte de luz que produz um feixe altamente coerente e praticamente monocromático. O feixe laser altamente coerente é gerado por transições eletrônicas que são iniciadas por um estímulo proveniente do meio externo [26].

A palavra laser é o acrônimo em inglês para “amplificação da luz pela emissão estimulada de radiação” (light amplification by stimulated emission of

radiation) [20, 26-28].

Conceitualmente, quando um átomo possui um nível de energia (E) no estado fundamental, ele pode absorver um fóton com frequência (f0), segundo a relação:

E = h. f0 = h. (c / 0) (Equação 1)

onde h é a constante de Plank, com valor numérico : h= 6,6260755x10^-34 J^.s e a velocidade da luz no vácuo: c= 3,0x10⁸ m^.s^-1. O valor de frequência da luz (f0) é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda (0), de acordo com o tipo de laser.

Assim, ao se atingir um nível excitado de energia, depois de certo tempo, o átomo retorna ao nível em que estava anteriormente (fundamental) emitindo um fóton com a mesma frequência que a do fóton absorvido, com direção e fase aleatória. Neste caso, trata-se de uma emissão espontânea. Entretanto, o laser utiliza a emissão estimulada de átomos em níveis previamente excitados para gerar um feixe coerente composto por um grande número de fótons. Um efeito de ressonância induz cada átomo a emitir um segundo fóton com a mesma direção, fase, frequência e polarização do fóton incidente, que não se altera pelo processo.

Em razão do primeiro e segundo fótons terem a mesma fase, eles emergem simultaneamente como um feixe coerente [26, 27].

Por ser colimado, um feixe laser pode ser deslocado por grandes distâncias, mantendo o seu paralelismo, ou seja, sem espalhamento [26].

O meio laser é o local onde ele é efetivamente gerado. O meio pode ser de estado sólido, meio líquido ou gasoso. Dentre os de estado sólido, têm-se os de barras, de discos e de fibras, dependendo da sua geometria. Os modos de operação podem ser: contínuo, modulado ou pulsado.

No funcionamento pulsado, o feixe laser é emitido sob a forma de pulsos muito curtos com picos de potência (peak power) muito elevados. Devido às interrupções do processo de bombeamento, é aplicada menos energia para o meio laser. Nas pausas entre os pulsos é armazenada muita energia para os pulsos subsequentes, o que explica a potência de pico elevada [28].

Os lasers pulsados (Q-switched), utilizados quase que exclusivamente por lasers de estado sólido, são úteis em muitas aplicações nas quais os lasers de onda contínua não são muito eficazes, porque a energia de um laser pulsado é comprimida em pacotes concentrados. Esta energia concentrada em um laser pulsado é superior à proveniente de um laser de onda contínua. Na Figura 3 é apresentada uma representação esquemática da mesma quantidade de potência de saída para lasers com onda contínua e pulsada, onde no segundo caso existem picos de potência (peak power) devido à elevada concentração de energia durante cada pulso [27].

Ao se medir a saída de um laser de onda contínua, o valor medido corresponde à quantidade de energia que sai durante um determinado período de tempo. A energia é medida em joules, e o tempo em segundos. A taxa com que a energia é emitida pelo equipamento de laser, isto é, o número de joules por segundo, é a potência do laser, em watts. A frequência dos pulsos, f, indica a quantidade de pulsos por segundo. A potência média é calculada pelo produto da energia de um pulso pela frequência dos pulsos do laser.

Figura 3. A energia (área sombreada) é produzida em pacotes concentrados por um laser pulsado. Como a energia é concentrada, sua potência de pico é maior do que a de um

laser contínuo. Imagem adaptada da referência [27].

A potência de pico, ou “peak power” , é uma medida da taxa na qual a energia sai durante o pulso, isto é, a razão da energia pelo tempo do pulso. A intensidade de cada pulso pode ser calculada por uma razão entre o peak power e área focal efetiva do pulso. A fluência do laser pode ser obtida pela razão entre a energia e a área efetiva do pulso [27].

A influência dos parâmetros do laser no processamento de materiais depende diretamente de vários parâmetros reguláveis, tais como: potência média, velocidade, frequência de pulsos e duração dos pulsos. Alterando-se um deles, por exemplo, a frequência e mantendo fixos os demais, alteram-se os valores de energia, a área efetiva do pulso, a potência, a fluência e o peak power ; o que acarreta em mudanças significativas nas superfícies dos materiais submetidos à interação com o feixe laser [28].

Existe uma grande variedade de aplicações dos lasers para uma infinidade de materiais, tais como: usinagem, ablação, têmpera, soldagem, marcação, texturização, medições de alta precisão, sistemas de comunicação e realização de procedimentos cirúrgicos [20, 26-28].

3.5.2 Marcação de Aços Inoxidáveis por Feixe Laser

Qi et al.[29] estudaram o processo de gravação em aços inoxidáveis por feixe laser. Eles utilizaram um laser tipo Q-switched de Nd:YAG e avaliaram a influência da frequência do pulso, da energia e da velocidade na qualidade da gravação produzida. Comparando-se qualitativamente a profundidade, largura e contraste gerados pela gravação, constataram que a frequência do pulso era o parâmetro que mais afetava o contraste da gravação devido à oxidação.

Analogamente, Leone et al. [30] verificaram tratar-se da frequência do pulso, o parâmetro que mais interferia no contraste obtido nas imagens digitais das superfícies submetidas às gravações. Leone et al. [30] utilizaram o mesmo tipo de laser e os mesmos parâmetros da pesquisa publicada por Qi et al. [29], o material que sofreu as marcações foi um aço inoxidável AISI 304. Eles observaram que a rugosidade e a oxidação da superfície gravada aumentavam em razão do aumento da frequência até um dado valor e, posteriormente, decresciam a partir deste.

Bizi-Bandoki et al. [31] estudaram as modificações na rugosidade e molhamento do aço inoxidável AISI 316L e da liga Ti-6Al-4V, tratados por laser com pulsos ultra-curtos. Foi utilizado um laser de titânio-safira, variando-se somente o número de pulsos. Os pesquisadores verificaram que, conforme se aumentava o número de pulsos, as características topográficas de ambos os materiais também eram alteradas, produzindo ondulações na superfície e as ligas mudavam o seu comportamento, de hidrofílicas para hidrofóbicas.

No trabalho publicado por Valette et al. [32], foi apresentado como alternativa aos métodos convencionais de marcação a laser, a técnica de marcação que utiliza um feixe laser de femtosegundos. Segundo estes autores [32], a principal vantagem de se utilizar o laser de pulsos de femtosegundos é a possibilidade de se obter maior precisão quanto à marcação e corte a laser em vários tipos de materiais, com reduzida área termicamente afetada. Neste estudo, foram utilizados os aços inoxidáveis Z30C13 (martensítico) e AISI 316L (austenítico) e as medidas eletroquímicas foram determinadas com base em curvas de polarização cíclica antes e após as marcações via laser Ti:Sa (titânio:safira), com pulsos de 150 femtossegundos, em 1 kHz de frequência. Contrariamente ao que ocorre com laser de nanossegundos, que conduz à queda

da passividade do óxido formado sobre os aços inoxidáveis, diminuindo a sua resistência à corrosão localizada; o método de marcação com laser de femtossegundos proporcionou um aumento na resistência à corrosão dos aços inoxidáveis estudados, devido à diminuição da energia.

No tocante às mudanças microestruturais nos materiais metálicos tratados a laser, Soriano et al. [33] avaliaram o efeito da técnica de endurecimento superficial por laser em materiais metálicos. Foi utilizado um laser de onda contínua de Nd:YAG. Após o tratamento foi obtida microestrutura martensítica e austenita retida, o que proporcionou maiores dureza e resistência ao desgaste. O estudo [33] foi apoiado por microscopia óptica, por microdureza Vickers ao longo da secção transversal, e por difração de raios X.

Um método que permite marcações rápidas e flexíveis de superfícies curvas e/ou com formatos complexos, em 2D e 3D foi estudado por Diaci et al. [34]. Eles utilizaram um laser Q-switched de nanossegundos de Nd:YVO4, uma câmera digital foi acoplada ao dispositivo possibilitando por meio de software, medir as formas em 3D, de maneira rápida e precisa e, a determinação da posição da superfície que está sendo gravada.

Algumas pesquisas envolvendo gravações a laser preocupam-se com análises qualitativas de caráter visual e estético, não sendo encontradas pesquisas específicas que avaliem o efeito dos parâmetros das gravações a laser, relacionando-as com a resistência mecânica e o comportamento eletroquímico de aços inoxidáveis utilizados como biomateriais.